EVALUACIÓN DEL USO DE CASCARILLA DE ARROZ, POLIETILENO Y POLIPROPILENO EN LA PRODUCCIÓN DE POSTES PARA USO

AGROPECUARIO

JUSTEIN MELISSA BALLER GONZALEZ

ALEJANDRO RIOS CASTIBLANCO

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD AMÉRICA

FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERIA QUÍMICA

BOGOTÁ, D.C.

2016

EVALUACIÓN DEL USO DE CASCARILLA DE ARROZ, POLIETILENO Y POLIPROPILENO EN LA PRODUCCIÓN DE POSTES PARA USO

AGROPECUARIO

JUSTEIN MELISSA BALLER GONZALEZ

ALEJANDRO RIOS CASTIBLANCO

Proyecto de grado para optar el título de

INGENIERO QUÍMICO

Asesor

EDGAR FERNANDO MORENO.

Ingeniero Químico

Director

MARIA PIA CANTILLO MALDONADO

Microbióloga, Msc Biotecnología

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD AMÉRICA

FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERIA QUÍMICA

BOGOTÁ, D.C.

2016

3

NOTA DE ACEPTACIÓN

EDGAR FERNANDO MORENO

Presidente del jurado

Jurado 1

Jurado 2

4

DIRECTIVAS DE LA UNIVERSIDAD

Presidente de la Universidad y Rector del Claustro

Dr. Jaime Posada Díaz

Vicerrector de Desarrollo y Recursos Humanos

Dr. Luis Jaime Posada García-Peña

Vicerrectoría Académica y de Posgrados

Dr. Ana Josefa Herrera Vargas

Secretario General

Dr. Juan Carlos Posada García-Peña

Decano Facultad de Ingenierías

Ing. Julio Cesar Fuentes Arismendi

Director Programa de Ingeniería Química

Ing. Leonardo de Jesús Herrera Gutiérrez

5

Las directivas de la universidad de

América, como los jurados calificadores y el

cuerpo docente no son responsables por

los criterios e ideas expuestas en el

presente documento. Estos corresponden

únicamente a los autores.

6

DEDICATORIA

Agradezco a Dios por las bendiciones y oportunidades que me ha puesto en el

camino. A mis padres al darme la oportunidad de ser un profesional, por las

enseñanzas, apoyo y el gran ejemplo que me han dado. He aprendido a no

rendirme y ser perseverante, que las metas propuestas se pueden alcanzar con

esfuerzo y dedicación. Es una etapa que culmina y otra que empieza, con nuevas

metas y proyectos, todo lo cumpliré con el objetivo de retribuirle a mis padres su

gran esfuerzo. Doy gracias a las personas que me brindaron su apoyo durante

este camino.

Alejandro Rios Castiblanco

Agradezco a Dios por haberme permitido llegar hasta este punto, por todas las

bendiciones que me ha dado a lo largo de mi vida y por darme fortaleza ante las

adversidades; a mis padres por su constante apoyo, amor, entrega, cariño,

esfuerzo y enseñanzas, son mi ejemplo a seguir; a mi hermano por estar para mí y

ser un ejemplo de dedicación; a mis abuelos y tía por su amor infinito, por

cuidarme y apoyarme; a mi abuela por siempre querer lo mejor para mí y por su

cariño. Le dedico especialmente este trabajo a mi tío Fernando que siempre fue un

ejemplo a seguir, por su perseverancia, trabajo, dedicación y por ser siempre el

mejor en lo que hacía, sé que le hubiera gustado celebrar este triunfo junto a mí,

siempre estarás en mi corazón. Por último a todas aquellas personas que me

brindaron su apoyo a lo largo de esta etapa.

Este es solo el comienzo de retos y objetivos por cumplir.

Justein Melissa Baller Gonzalez

7

AGRADECIMIENTOS

Al Ingeniero Edgar Fernando Moreno, quien estuvo en disposición para apoyarnos, guiarnos y ayudarnos en la realización de nuestro proyecto de grado.

A nuestra directora la microbióloga María Pía Cantillo por su apoyo incondicional, por sus ideas, dedicación y paciencia para culminar con éxito nuestro proyecto de grado.

A Tecnoparque Nodo Bogotá por brindarnos la oportunidad de realizar nuestro proyecto de investigación y además de brindarnos las herramientas para llevarlo a cabo.

A Javier Forero y su empresa Ecomaderas Plásticas, por abrirnos las puertas y confiar en nosotros, por brindarnos todas las herramientas para el desarrollo de nuestro proyecto de grado.

8

CONTENIDO

pág. INTRODUCCIÓN 22 OBJETIVOS 23 1. GENERALIDADES ........................................................................................... 21 1.1 GENERALIDADES DE ECOMADERAS PLÁSTICAS ............................... 21 1.2 PROCESO DE EXTRUSIÓN ...................................................................... 21 1.3 PLÁSTICOS ............................................................................................... 23 1.3.1 Tipos de monómeros. ............................................................................... 24 1.3.2 Clasificación de plásticos. ....................................................................... 25 1.4 POLIPROPILENO ...................................................................................... 27 1.5 POLIETILENO ............................................................................................ 30 1.6 MATERIALES COMPUESTOS .................................................................. 31 1.6.1 Materiales compuestos reforzados con fibras. ...................................... 32 1.6.2 Concentración y orientación de la fibra. ................................................. 32 1.6.3 Material compuesto de fibras vegetales. ................................................ 33 1.7 CASCARILLA DE ARROZ ......................................................................... 33 2. CLASIFICACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE MATERIAS PRIMAS ......... 35 2.1 CLASIFICACIÓN DE PLÁSTICOS ............................................................ 35 2.1.1 Prueba de combustión. ........................................................................... 36 2.1.2 Prueba de beilstein. ................................................................................. 37 2.1.3 Prueba de densidad. ................................................................................ 37 2.1.4 Prueba de solubilidad. .............................................................................. 38 2.2 CARACTERIZACIÓN DE CASCARILLA DE ARROZ ............................... 47 2.2.1 Prueba de densidad. ................................................................................. 48 2.2.2 Prueba de porcentaje de humedad.......................................................... 48 2.2.3 Prueba de contenido de ceniza. .............................................................. 50 2.2.4 Prueba de análisis bromatológico. .......................................................... 51 3. DETERMINACIÓN DE CONDICIONES DE TRABAJO ................................... 58 3.1 METODOLOGÍA ......................................................................................... 59 3.1.1 Prueba de resistencia a la compresión. .................................................. 59 3.1.2 Prueba de resistencia a la tracción. ........................................................ 60 3.1.3 Determinación de la densidad. ................................................................ 61 3.1.4 Resistencia a agentes químicos. ............................................................. 62 3.2 RESULTADOS Y ANÁLISIS ...................................................................... 62 3.2.1 Resistencia a la compresión. ................................................................... 62 3.3.2 Resistencia a la tracción. ......................................................................... 67 3.2.3 Densidad. ................................................................................................... 73 3.2.4 Resistencia a agentes químicos. ............................................................. 74 3.3 DISEÑO DE EXPERIMENTOS ................................................................... 74

9

3.4 FORMULACIÓN DE MEZCLA DE MATERIAL .......................................... 77 4. ESTUDIO DE COSTOS DEL PROYECTO ........................................................ 78 4.1 ANÁLISIS DE COSTOS DE OPERACIÓN ................................................. 78 4.2 ANÁLISIS DE DEPRECIACIÒN DE LA INVERSIÓN ASIGNADA DEL PROCESO DE EXTRUSIÓN ................................................................................. 82 4.3 ANÁLISIS DE DEMANDA ......... 83 4.4 EVALUACIÓN FINANCIERA ..................................................................... 81 5. CONCLUSIONES ........................................................................................... 83 6. RECOMENDACIONES ................................................................................... 84 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 85 ANEXOS 90

10

LISTA DE TABLAS pág.

Tabla 1. Propiedades y características polipropileno 29 Tabla 2. Propiedades del polietileno de baja densidad y del polietileno de alta densidad 30 Tabla 3. Características de la cascarilla de arroz 34 Tabla 4. Resultados prueba de densidad. 38 Tabla 5.Densidades de diferentes plásticos 41 Tabla 6. Comparación de densidades del PEBD, PEAD y PP 41 Tabla 7. Longitudes de onda para los grupos funcionales 45 Tabla 8. Resultados de densidad de la cascarilla de arroz 48 Tabla 9. Resultados de porcentaje de humedad de la cascarilla de arroz 49 Tabla 10. Resultado de porcentaje de cenizas de la cascarilla de arroz 50 Tabla 11. Composición de la ceniza de la cascarilla de arroz 51 Tabla 12. Resultados % FDN 53 Tabla 13. Resultados % FDA 53 Tabla 14. Resultados porcentajes de lignina 55 Tabla 15. Resultados bromatológicos de la cascarilla de arroz. 56 Tabla 16. Propiedades cascarilla de arroz 57 Tabla 17. Velocidades de ensayo 61 Tabla 18. Comportamiento de resistencia a la compresión en diferentes composiciones de cascarilla de arroz. 63 Tabla 19. Resultados resistencia a la compresión muestras escogidas 67 Tabla 20. Comportamiento de resistencia a la tracción en diferentes composiciones de cascarilla de arroz. 72 Tabla 21. Resultados Densidad relativa 73 Tabla 22. Análisis de varianza 75 Tabla 23. Inversión a la producción de postes 78 Tabla 24. Costos variables 79 Tabla 25. Depreciación de equipos 80 Tabla 26. Producción anual de postes plásticos 80 Tabla 27. Predicción de TIR y VPN 81

11

LISTA DE ECUACIONES pág.

Ecuación 1. Ecuación de densidad 38 Ecuación 2. Ecuación de porcentaje de humedad 48 Ecuación 3. Contenido de cenizas 50 Ecuación 4. Obtención de fibra FDN 52 Ecuación 5. Obtención de fibra FDA 53 Ecuación 6. Porcentaje de lignina 55 Ecuación 7. Porcentaje de hemicelulosa 55 Ecuación 8. Porcentaje de celulosa 56 Ecuación 9. Densidad relativa 61 Ecuación 10. Densidad 62

12

LISTA DE IMÁGENES pág.

Imagen 1 .Partes de extrusora. 22 Imagen 2. Partes de husillo 22 Imagen 3. Extrusora de doble husillo 23 Imagen 4. Molécula termoplástica 26 Imagen 5. Curva de esfuerzo deformación 27 Imagen 6. Estructuras isotáctica, atáctica y 28 Imagen 7. Estructura del polietileno de alta densidad 31 Imagen 8. Muestras de plásticos procesados 35 Imagen 9. Prueba de densidad 37 Imagen 10. Muestras prueba de solubilidad con 39 Imagen 11. Espectrograma mezcla de PEAD con fibra (tela) 42 Imagen 12. Espectograma plástico Polietileno (PEAD). 43 Imagen 13. Espectrograma plástico polietileno (PEAD) teórico. 43 Imagen 14. Espectrograma de polipropileno. 44 Imagen 15. Espectrograma de polipropileno teórico. 44 Imagen 16. Espectrograma plástico PVC 45 Imagen 17. Espectrograma plástico PVC 46 Imagen 18. Espectrograma comparación PDAD y PP 47 Imagen 19. Residuo fibra FDA 54 Imagen 20. Solución ácida+ FD 54 Imagen 21. Dimensiones de probeta mecánica 60 Imagen 22. Probetas mecánicas 60 Imagen 23. Efecto pandeo 62 Imagen 24. Ensayo tracción 67 Imagen 25. Comportamiento de curvas de esfuerzo y deformación 72

13

LISTA DE CUADROS pág.

Cuadro 1. Nombres de monómeros y polímeros 24 Cuadro 2. Monómeros representativos y polímeros 25 Cuadro 3. Descripción de material plástico 35 Cuadro 4. Resultados prueba de combustión 36 Cuadro 5. Resultados prueba de presencia de halógeno 37 Cuadro 6. Resultados prueba de solubilidad 39 Cuadro 7.Clasificación tipo de plásticos 40 Cuadro 8. Datos del número de onda y grupo funcional. 43 Cuadro 9. Comportamientos de muestras en agentes químicos 74

14

LISTA DE GRÁFICAS pág.

Gráfica 1. Ensayo a compresión 64 Gráfica 2. Muestra 9. Curva de esfuerzo vs deformación 65 Gráfica 3. Muestra 9 Curva de esfuerzo vs deformación 65 Gráfica 4. Muestra 11 Curva de esfuerzo vs deformación 66 Gráfica 5 . Muestra 9 Curva de esfuerzo vs deformación 68 Gráfica 6. Muestra 9.1 Curva de esfuerzo vs deformación 68 Gráfica 7. Muestra 9.2 Curva de esfuerzo vs deformación 69 Gráfica 8. Muestra 10 Curva de esfuerzo vs deformación 69 Gráfica 9. Muestra 10.1 Curva de esfuerzo vs deformación 70 Gráfica 10. Muestra 11 Curva de esfuerzo vs deformación 70 Gráfica 11. Muestra 11.1 Curva de esfuerzo vs deformación 71 Gráfica 12. Ensayo a tracción 73 Gráfica 13. Interacción velocidad y composición 76 Gráfica 14. Interacción temperatura 76 Gráfica 15. Cantidad Demandada 81

15

LISTA DE ESQUEMAS pág.

Esquema 1. Clasificación Materiales compuestos 32

16

LISTA DE ANEXOS pág.

Anexo A. Ensayos de identificación de plásticos 91 Anexo B. Identificación de plásticos por combustión 92 Anexo C. Determinación de densidad y humedad 93 Anexo D. Ensayo de porcentaje de humedad y cenizas 94 Anexo E. Análisis bromatológico 95 Anexo F. Propiedades plásticos. 96 Anexo G. Ensayo resistencia a agentes químïcos 97 Anexo H. Ensayo de densidad relativa 98 Anexo I. Resultados ensayo de resitencia a la compresión 99 Anexo J. Resultados obtenidos ensayo de tracción 100 Anexo K. Comparación de propiedades 101 Anexo L. Costos fijos de operación mensual 102 Anexo M. Flujo de caja libre 103

17

GLOSARIO

EXTRUSIÓN: la extrusión es un proceso de transformación de plásticos, donde se pueden manufacturar diferentes productos como tuberías, mangueras, fibras y una gran cantidad de perfiles. Este proceso se utiliza para mezclar y formular compuestos de plástico y producir materia prima.

FASE DISPERSA: es el material con el que se desea realizar el refuerzo del

material de interés, para mejorar sus propiedades.

FASE MATRIZ: es la fase continua y es la que rodea a la otra fase llamada fase

dispersa, la matriz es el material.

FIBRA VEGETAL: la fibra natural abarca una amplia variedad de fibras vegetales,

animales y minerales. En la industria se refiere a la fibra de la madera y residuos

del sector de la agricultura, como hojas, semillas etc

HUSILLO SIMPLE: este consiste en un cilindro lardo rodeado por un filete

helicoidal. El tornillo es una de las partes más importantes ya que contribuye a

realizar las funciones de transportar, calentar, fundir y mezclar el material.

MATERIALES COMPUESTOS: material que consta de dos o más materiales

físicamente distintos y separables mecánicamente.

POLIETILENO: polímero de mayor volumen en el mundo debido a su alta dureza,

ductilidad, excelente resistencia química, baja permeabilidad y absorción al agua

siendo una opción atractiva para una variedad de aplicaciones

POLIPROPILENO: polímero termoplástico de gran consumo, con grandes

aplicaciones ya que es un polímero versátil debido a que posee la capacidad para

ser modificado y diseñado para diferentes aplicaciones

TERMOPLÁSTICOS: son plásticos que se caracterizan por que se ablandan con

el calor y se pueden moldear para darle una gran variedad de formas, al enfriarse

este volverá a endurecerse manteniendo sus características iniciales.

18

RESUMEN

El objetivo de esta investigación fue evaluar el uso de material plástico recuperado (polietileno y polipropileno de alta densidad) y material vegetal (cascarilla de arroz), generando un poste plástico para el cercamiento de sectores agropecuarios. Este proyecto se desarrolló con la empresa Ecomaderas Plásticas y Tecnoparque nodo Bogotá.

Se determinaron las propiedades del material compuesto por medio de la caracterización de las materias primas utilizadas, para el polietileno de alta densidad y el polipropileno se realizaron pruebas de combustión, presencia de halógeno, solubilidad, densidad y espectrofotometría infrarroja. Con respecto a la cascarilla de arroz se realizaron pruebas de humedad, cenizas, densidad y análisis bromatológico.

Se desarrollaron las probetas mediante el proceso de extrusión, a diferentes condiciones de trabajo en cuanto a la composición de las materias primas, la temperatura y velocidad de la máquina extrusora; se realizaron 24 probetas a las cuales se les realizaron pruebas de compresión basados en la norma ASTM D-695, se escogieron las tres mejores probetas y se hicieron pruebas de tracción mediante la norma ASTM D-638, prueba de resistencia a agentes químicos y densidad relativa; al obtener los resultados se escogió la mejor probeta a las siguientes condiciones: proporción del 30% de cascarilla de arroz, una velocidad de 45 rpm y una temperatura de 280°C, siendo las mejores condiciones de operación para la elaboración del producto.

Palabras clave: extrusión, fibra vegetal, termoplásticos, polímeros, pruebas mecánicas

19

INTRODUCCIÓN

Colombia se destaca por la producción de cultivo de arroz, según el DANE el área sembrada de arroz mecanizado para el segundo semestre de 2015 fue de 295.971 hectáreas, con una producción de 1.558.000 toneladas de arroz, dicha producción genera grandes cantidades de cascarilla de arroz.

La cascarilla de arroz presenta diferentes propiedades y características que lo hacen un material llamativo para reutilizar. Es un material ignifugo, con alta estabilidad bioquímica, debido a su gran contenido de minerales, así como su alta concentración de silicio el cual está entre el 90 al 97%. La transformación de las propiedades fisicoquímica de la cascarilla de arroz comienza por encima de los 750°C, lo cual le garantiza un amplio rango de estabilidad térmica.

ECOMADERAS PLÁSTICAS es una empresa con más de diez años de experiencia en la utilización de materiales poliméricos reciclados dándoles un buen uso para el sector agropecuario industrial mobiliario. Debido a las propiedades que presenta la cascarilla de arroz y a las problemáticas ambientales que genera la producción de polímeros, esta empresa busca aprovechar la cascarilla de arroz como fuente de materia prima para realizar un aglomerado con los plásticos Polietileno y Polipropileno reciclados, generando así un nuevo producto que tenga buenas propiedades para el uso de cercado en el sector agropecuario con el uso de materiales más amigable con el medio ambiente y de menor costo de producción.

Carlos Córdoba, Jenny Mera, Diego Martínez y Jesús Rodríguez en 2010, exponen como la mezcla en proporciones adecuadas entre los plásticos reciclados de polietileno y polipropileno, con cantidades optimas de fibra natural tetera, permiten obtener materiales a bajos costos y que pueden reemplazar a los usados actualmente, como los productos de la madera

El presente proyecto pretende evaluar el uso de cascarilla de arroz en una mezcla de polietileno de alta densidad y polipropileno, buscando mejorar las propiedades mecánicas del material existente como lo son la resistencia a la compresión y a la tracción además de reducir el consumo de materias primas poliméricas; caracterizando las propiedades de la cascarilla de arroz y los plásticos manejados en la empresa; determinando la velocidad y la temperatura de trabajo para la fabricación del nuevo producto; evaluando las características y el costo del producto obtenido con respecto al otro producto generado en la empresa.

20

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Evaluar el uso de la cascarilla de arroz y plástico reciclado Polietileno y Polipropileno en postes para uso agropecuario.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Caracterizar las propiedades de la cascarilla de arroz y el plástico tipo Polietileno y Polipropileno.

2. Determinar la velocidad y la temperatura para la fabricación del nuevo producto

3. Evaluar las características del producto obtenido con respecto al fabricado por ECOMADERAS PLÁSTICAS

4. Evaluar los costos del producto obtenido con el producto fabricado por ECOMADERAS PLÁSTICAS.

21

1. GENERALIDADES

1.1 GENERALIDADES DE ECOMADERAS PLÁSTICAS

Ecomaderas plásticas es una empresa que opera hace más de diez años, implementando como materia prima la utilización de materiales poliméricos recuperados para la elaboración de productos del sector agropecuario industrial mobiliario como: postes, corrales y establos, pesebreras, parques, pisos, estibas y vigas para minería. Eco maderas produce diariamente mediante el proceso de extrusión un aproximado de 200 postes, donde cada poste se elabora en un tiempo de 5 a 6 minutos.

1.2 PROCESO DE EXTRUSIÓN

La extrusión es un proceso de transformación de plásticos, donde se pueden manufacturar diferentes productos como tuberías, mangueras, fibras y una gran cantidad de perfiles. Este proceso se utiliza para mezclar y formular compuestos de plástico y producir materia prima.

Como se muestra en la Imagen 1 la extrusora está compuesta por una tolva donde se genera la alimentación del material, por un husillo o un tornillo que gira dentro de una cavidad (cilindro), este husillo es capaz de empujar el material a una velocidad específica a ciertas condiciones de operación1, también tiene las funciones de fusión o plastificación del material mezclado, desgasificación y conformado. Después de pasar el material por el husillo, este sale por una boquilla, en la cual se ubica el perfil o molde para obtener la forma deseada, una vez que el fluido se encuentra en el molde se procede a retirarlo y a realizar el enfriado2. Cabe aclarar que no todas las funciones descritas se realizan durante el proceso y en las diferentes extrusoras.3

Los termoplásticos son los materiales más utilizados debido a que estos materiales al ser calentados las relaciones intermoleculares se debilitan y se vuelven más suaves y se transforman en fluidos, lo que hace que este tipo de materiales se puedan moldear de una manera más fácil, al ser enfriados se convierten en sólidos.4

1 RAMOS DE VALLE, Luis francisco. Extrusión de plásticos: principios básicos. México: Editorial Limusa, S.A de C.V., 2012. p69. ISBN 978-968-18-4504-9. 2 RAMOS DE VALLE, Op. Cit, p 69. 3BELTRÁN RICO, Maribel., MARCILLA GOMIS, Antonio. Tecnología de polímeros: procesado y propiedades. España: Universidad de alicante, Facultad de Ingeniería Química. Departamento de Ingeniería Química. 2012 4 CORNISH ALVARE, María Laura. El ABC de los plásticos. Universidad iberoamericana. 1997. 138 p. ISBN 9688592838

22

Imagen 1 .Partes de extrusora.

Fuente: BELTRÁN RICO, Maribel., MARCILLA, Antonio. Tecnología de polímeros: procesado y propiedades. España: Universidad de Alicante, 2012, 101 p.

Las extrusoras se dividen en tres zonas como lo indica la Imagen 2. La primera zona la cual es la zona de alimentación es la que se encuentra más cercana a la tolva, en donde la profundidad del husillo es la máxima, la función es compactar el material alimentado en forma sólida densa y transportarlo hacia la zona siguiente. La segunda zona es la de transición o compresión donde la profundidad del cilindro o canal se reduce de una forma gradual. Mientras el material sólido se compacta, el aire que pudiese quedar atrapado escapa hacia la alimentación. En esta zona sucede el proceso más importante el cual es la fusión. La dosificación es la tercera y última zona del husillo, esta es la parte cercana a la boquilla, aquí el material fundido es homogenizado y presurizado para que el material pueda salir de la boquilla y así dirigirse al molde.

Imagen 2. Partes de husillo

Fuente: BELTRÁN RICO, Maribel., MARCILLA, Antonio. Tecnología de polímeros: procesado y propiedades. España:

Universidad de Alicante, 2012, p. 102

Las extrusoras pueden trabajar entre 10 a 500 rpm, y según el tamaño pueden proporcionar caudales de 2000kg/h de material. Como se muestra en la Imagen 3

23

existen una gran variedad de extrusoras, como por ejemplo las multitornillo, estas presentan varias ventajas con respecto a las de un solo tornillo (husillo), como la buena capacidad de mezclado, la desgasificación y el mayor control del tiempo de residencia y distribución.5 En este trabajo se utilizó una extrusora de un sólo husillo, haciendo total importancia en esta.

Imagen 3. Extrusora de doble husillo

Fuente: BELTRÁN RICO, Maribel., MARCILLA GOMIS, Antonio. Tecnología de polímeros: procesado y propiedades. España: Universidad de Alicante, 2012, p. 102

1.3 PLÁSTICOS

Los plásticos están conformados por un grupo de monómeros, donde los monómeros son compuestos de bajo peso molecular y cuando se unen con otros compuestos iguales o diferentes forman macromoléculas más conocidas como polímeros. Por lo general los plásticos son polímeros de alto peso molecular caracterizándose por la repetición de moléculas combinándolas para así formar moléculas mucho más grandes. Son materiales que se caracterizan por su elasticidad y flexibilidad permitiendo así la facilidad para moldearlos y destinarlos a diferentes aplicaciones. Siendo materiales orgánicos y materiales sintéticos donde contienen como elemento principal el carbono, además del hidrógeno, nitrógeno y oxígeno.

Los primeros plásticos se empezaron a desarrollar cuando se buscaba la sustitución de materiales costosos y pesados como el marfil, así en 1860 un Norteamericano presento la celuloide obtenida por la reacción de ácido nítrico un

5BELTRÁN RICO, Op. Cit, p 102.

24

material para producir bolas de billar6. El proceso que condujo a los plásticos modernos fue la sintetización: partir de monómeros o moléculas sencillas para obtener polímeros mediante una reacción química polimerizante. De esta manera en los años 30 a partir del gas etileno que se polimerizaba bajo acción de calor y presión, se formó el primer material termoplástico conocido como el polietileno. Empezaron a experimentar para así generar nuevos plásticos con distintas características, para producir cloruro de polivinilo o más conocido como PVC reemplazando en el etileno un átomo de hidrógeno por uno de cloruro.

1.3.1 Tipos de monómeros. Los monómeros son moléculas de bajo peso

molecular, generalmente de la química orgánica, estos se combinan con

moléculas de la misma naturaleza para formar productos de alto peso molecular,

denominados polímeros.

Ramos7 afirma que existen dos tipos de monómeros; las olefinas y los compuestos

orgánicos que tienen en la molécula funciones orgánicas reactivas, es decir son

compuestos funcionalizados. Las olefinas son alquenos que al unirse consigo

misma un número de veces origina una macromolécula, es decir que a partir de

una olefina se forma un hidrocarburo saturado, una parafina de gran tamaño

molecular todo gracias a una reacción de polimerización. En el Cuadro 1 se

muestran las olefinas más representativas y los nombres de los plásticos

correspondientes.

Cuadro 1. Nombres de monómeros y polímeros

Monómero Polímero

CH2=CH2 etileno Polietileno (PE)

CH2=CH-CH3 Propileno polipropileno (PP)

CH2=CHCl cloruro de vinilo Policloruro de vinilo (PVC)

CH2=C(CH3)-CO-OCH3

Polimetacrilato de metilo (PMMA)

Fuente: RAMOS CASTELLANOS, Pedro. Residuos: alternativas de gestión. Universidad de salamanca. Vol 53 de colección Aquilafuente. 2003. ISBN

8478006958, 9788478006953

6 SALADO, R. J. Los materiales plásticos en tecnología. Innovación y experiencias educativas.[online] enero 2010 vol. 26 [ citado 2016-09-06] Disponible en http://goo.gl/bSLG4R .ISNN 1988-6047 7 RAMOS CASTELLANOS, Pedro. Residuos: alternativas de gestión. Universidad de salamanca. Vol 53 de colección Aquilafuente. 2003. ISBN 8478006958, 9788478006953

25

Los monómeros funcionalizados deben poseer como mínimo dos grupos funcionales reactivos, sean de la misma naturaleza o no. Así la reacción puede ocurrir una gran cantidad de veces para la unión de un número importante de monómeros. Estos suelen ser diaminas, dialcoholes, dicarboxílicos, aminoácidos, hidroxiácidos etc.

A continuación en el Cuadro 2 se presentan los monómeros que dan lugar a los principales polímeros. 8

Cuadro 2. Monómeros representativos y polímeros

Monómeros Polímeros

HOOC-(CH2)4-COOH ácido adípico H2N-(CH2) 6-NH2

hexametilendiamina (NH-CH2)-NH-CO-(CH)-

CO- nylon 6,6

HOOC-COOH ácido tereftálico HO-CH2-CH-OH

etilenglicol

(OC-CO-O-CH-CH-O) politereftalato de etileno

(PET) (poliéster)

HO fenol H-CHO formaldehído

baquelita (resinas fenólicas)

(O=C=N) R diisocianato OH-CH2-CH2OH glycol Uretano

e- caprolactama nylon 6 (poliamida)

urea y formaldehído resinas ureicas

Fuente: RAMOS CASTELLANOS, Pedro. Residuos: alternativas de gestión. Universidad de salamanca. Vol 53 de colección Aquilafuente. 2003. ISBN 8478006958, 9788478006953

1.3.2 Clasificación de plásticos. Los plásticos se pueden clasificar según el

comportamiento respecto a la temperatura donde los dos grandes grupos en que

se dividen son en termoestables y termoplásticos y según la estructura molecular

donde se encuentran los amorfos, semicristalinos y elastómeros.

8 libd p. 152-153

26

1.3.3.1 Termoplásticos. Esta clase de plásticos se caracterizan por ser sólidos a

temperatura ambiente y bajo calentamiento se ablandan hasta que alcanzan su

punto de fusión y se convierten en líquidos viscosos9, si este se enfría por debajo

de su punto de fusión se resolidifica volviendo a su estado físico inicial. Gracias a

este comportamiento pueden ser reprocesados varias veces sin cambios

aparentes en las propiedades.

Los cambios de estado que puede presentar los termoplásticos se dan siempre y cuando se calienten las veces que se quiera pero sin llegar a la descomposición química de los materiales. Del Rio10 afirma que están compuestos por un gran número de moléculas lineales y cuya unión se basa en los efectos de fuerzas intermoleculares físicas, las fuerzas de valencia secundarias como se presenta en la Imagen 4.

Usal11 asegura que para que un polímero sea clasificado como termoplástico si es material amorfo debe tener una temperatura de transición vítrea Tg y si es material cristalino debe tener una temperatura de fusión Tm, superior a la temperatura ambiente. La gran mayoría de termoplásticos presentan un buen conjunto de propiedades mecánicas, son fáciles de procesar, económicos y reciclables. Debido a que son materiales que se funden no tienen aplicaciones a altas temperaturas debido a que se comienzan a reblandecer por encima de Tg generando pérdida en las propiedades mecánicas.

Imagen 4. Molécula termoplástica

Fuente: La web de los adhesivos (2011-2016). Termoplásticos.

Disponible en: http://www.losadhesivos.com/termoplastico.html

Recuperado el 26 de septiembre de 2016.

9 libd p 16- 18 10 libd p 16 11 USAL. Enseñanzas técnicas materiales plásticos. [online]. [citado 2016-09-06] Disponible en http://ocw.usal.es/eduCommons/ensenanzas-tecnicas/materiales-ii/contenidos/PLASTICOS.pdf

27

1.3.3.2 Propiedades mecánicas. Askeland12 expone que el comportamiento de

los termoplásticos es no newtoniano, esto quiere decir que el esfuerzo y la

deformación no se relacionan linealmente para una mayor parte de la curva

esfuerzo-deformación. Cuando a un termoplástico se le aplica una fuerza externa,

se generan deformaciones elásticas como plásticas. El comportamiento mecánico

esta finamente relacionado en como las cadenas poliméricas se mueven bajo una

carga en relación con las demás. La deformación depende de la velocidad a la

cual se le aplica la carga al material y el tiempo. En la Imagen 5 se muestra la

curva de esfuerzo-deformación.

Imagen 5. Curva de esfuerzo deformación

Fuente: ASKELAND Donald R. and Phulé Pradeep P. “CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES”. 4ta

Edición. International Thompson Editores S.A. México. 2004, ISBN 970-688-361-3. pp: 962

1.4 POLIPROPILENO

El polipropileno (PP) es un polímero termoplástico de gran consumo, con grandes aplicaciones ya que es un polímero versátil debido a que posee la capacidad para ser modificado y diseñado para diferentes aplicaciones. Puede ser procesado en un amplio intervalo de condiciones debido a su comportamiento térmico. Las propiedades físicas, químicas y mecánicas del polipropileno le permiten ser aplicado en una amplia variedad de productos formados mediante procesos de extrusión o de inyección. El polipropileno (PP) es una poliolefina que se sintetiza

12 ASKELAND, D; PHULÉ, P. “CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES”. 4ta

Edición. International Thompson Editores S.A. México. 2004, ISBN 970-688-361-3. pp: 962. Traducido del inglés de la obra: “The Science and Engineering of Materials”, 4th. Edition. Bruce Cole 2003 ISBN 0-534-95373-5.

28

mediante catálisis a partir del propileno para formar un homopolímero o copolímeros con otras olefinas.13

La estructura de la unidad monomérica del PP, el propileno, tiene un carbono asimétrico que induce el fenómeno de orden a la estructura macromolecular. Se pueden encontrar tres estereoisómeros con un comportamiento diferente con respecto a la estructura espacial de la cadena del polímero, estas son: isotáctico, atáctico, y sindiotáctico, que se muestran en la Imagen 6, siendo el isotáctico y sindiotáctico materiales cristalinos aunque la temperatura de fusión del sindiotáctico es inferior a la del isotáctico y por el contrario el polímero atáctico no presenta ningún tipo de cristalinidad debido a su carencia de todo tipo de orden14.

El polímero isotáctico es la forma más comercialmente utilizada con un punto de fusión de 165°C. A diferencia del polietileno que cristaliza en forma de zigzag, el polipropileno isotáctico cristaliza en forma helicoidal debido a la presencia del grupo metilo en la cadena, la cantidad de isotacticidad influye en las propiedades de la cadena y como la cantidad de material isotáctico (a menudo cuantificado por un índice isotáctico) aumenta, así mismo aumentará la cristalinidad generando como resultado un mayor módulo y dureza.15

Imagen 6. Estructuras isotáctica, atáctica y sindioatáctica del polipropileno

Fuente: DEL RÍO BASORA, F, HERNÁNDEZ, S y SOSA, D. Estudio técnico para la aplicación de polímeros termoplásticos, termoestables y elastómericos comerciales. Instituto Politécnico Nacional. Escuela Superior de Ingeniería Química e industrias extractivas. México D.F. 1993

13 VALLEJOS, María Angélica. Aprovechamiento integral del Cannabis sativa como material de refuerzo/carga del polipropileno. Universitat de Girona. Departament d'Enginyeria Química, Agrària i Tecnologia Agroalimentària. 2006. ISBN: 8469000683 p. 98- 99 14 libd p 16pp 35- 36 15 HARPER, A Charles. Modern Plastics Handbook. McGraw-Hill. 1999. ISBN 0-07-026714-6

29

Es un polímero no polar, buen aislante, ligero, con buena resistencia química aunque los disolventes clorados, la gasolina y el xileno pueden afectar el material, siendo un polímero que posee rigidez, dureza y resistencia mecánica más altas que el polietileno. Vallejos16 afirma que la principal limitación del polipropileno es su carácter apolar impidiendo la compatibilización con otros tipos de polímeros como son las poliamidas, los poliésteres, los policarbonatos y los elastómeros, así como diferentes refuerzos tales como la fibra de vidrio y materiales lignocelulósicos.

Harper17 afirma que otra debilidad es su comportamiento frágil a bajas temperaturas, debido a que los termoplásticos se vuelven quebradizos cerca a los 0°C. Es un polímero alifático lineal, tiene muchas propiedades similares al PEAD, pero el grupo metilo alternado sobre los átomos de carbono de la cadena principal genera efectos en el aumento de la temperatura de fusión y rigidez, en que se interfiere con la simetría molecular disminuyendo la cristalinidad y además genera productos de diferente tacticidad. En la Tabla 1 se presenta un resumen de las propiedades y de las características para el polipropileno18

Tabla 1. Propiedades y características polipropileno

Propiedad Polipropileno

Peso específico g/cm2 0,902-0,096

Índice de refracción nd*5 1,49

Resistencia a la tracción, psi 4300-5500

Alargamiento % 200-700

Módulo de tracción 10*5 psi 1,6-2,3

Resistencia al impacto de entalladura 0,5-2 Temperatura de flexión térmica ° f 264

psi 125-140

Constante dieléctrica, 1000ciclos 2,2-2,6

Perdida dieléctrica 1000ciclos 0,0005-0,0018 Absorción de agua, varilla de 1/8",

24horas 0,01

Velocidad de combustión lenta

16 VALLEJOS, María Angélica. Aprovechamiento integral del Cannabis sativa como material de refuerzo/carga del polipropileno. Universitat de Girona. Departament d'Enginyeria Química, Agrària i Tecnologia Agroalimentària. 2006. ISBN: 8469000683 p 38 17 HARPER, A Charles. Modern Plastics Handbook. McGraw-Hill. 1999. ISBN 0-07-026714-6 pp. 1,61 18 DEL RÍO BASORA, F, HERNÁNDEZ, S y SOSA, D. Estudio técnico para la aplicación de polímeros termoplásticos, termoestables y elastómericos comerciales. Instituto Politécnico Nacional. Escuela Superior de Ingeniería Química e industrias extractivas. México D.F. 1993

30

Tabla 1. (Continuación)

Propiedad Polipropileno

Efecto de la luz solar necesita protección

Efecto de los ácidos y bases fuertes Resistente

Efecto de los disolventes orgánicos resistente por debajo soluble 80°c

Fuente: DEL RÍO BASORA, F, HERNÁNDEZ, S y SOSA, D. Estudio técnico para la aplicación de polímeros termoplásticos, termoestables y elastómericos comerciales. Instituto Politécnico Nacional. Escuela Superior de Ingeniería Química e industrias extractivas. México D.F. 1993

1.5 POLIETILENO

El polietileno (PE) es el polímero de mayor volumen en el mundo debido a su alta dureza, ductilidad, excelente resistencia química, baja permeabilidad y absorción al agua siendo una opción atractiva para una variedad de aplicaciones. El polietileno está limitado por su límite elástico y punto de fusión aunque sigue siendo un polímero muy versátil con variedad casi ilimitada debido al potencial de copolimerización y rango amplio de densidad. 19

Actualmente se fabrican a gran escala dos tipos de polietileno: los amorfos o de baja densidad y los cristalinos o de alta densidad; los primeros tienen bajo peso molecular y sus cadenas son ramificadas (aproximadamente una cadena lateral cada 50 carbonos); los de alta densidad tienen mayor peso molecular y presentan cadenas lineales, en la Tabla 2 se presentan las propiedades del polietileno de baja densidad y de alta densidad.20

Tabla 2. Propiedades del polietileno de baja densidad y del polietileno de alta densidad

Polietileno Pm Densidad Cristalinidad Pf (°c)

Resisten. mec

De baja densidad

100000 a 75000 0,92 50% 115 100 kg/cm2

De alta densidad

75000 a 100000 0,96 80- 90% 135 280 kg/cm2

Fuente: Primo, Eduardo. Química Orgánica básica y aplicada de la molécula a la industria Tomo 1. Universidad Politécnica de Valencia. Editorial Reverté S.A. ISBN 84-291-7953-4

19 HARPER, A Charles. Modern Plastics Handbook. McGraw-Hill. 1999. ISBN 0-07-026714-6 p 1,40 20 PRIMO, Eduardo. Química Orgánica básica y aplicada de la molécula a la industria Tomo 1. Universidad Politécnica de Valencia. Editorial Reverté S.A. ISBN 84-291-7953-4

31

En la investigación se usa polietileno de alta densidad debido a la facilidad de adquirirlo y manipularlo, en la Imagen 7 se presenta la estructura del polietileno de alta densidad (HDPE) que se empezó a obtener sometiendo el etileno a bajas presiones y en presencia de catalizadores. Se distinguen dos procesos: Proceso Phillips, que utiliza como catalizador óxido de cromo y el Proceso Ziegler que utiliza como catalizador tetracloruro de titanio o derivados. Ambos se utilizan presiones inferiores a 30 atmósferas y temperaturas del orden de los 60- 120°C. La presencia de los catalizadores da lugar a cadenas lineales muy poco ramificadas.21

Harper22 afirma que el método más común de procesamiento del polietileno de alta densidad es el moldeo por soplado, donde el material se convierte en botellas y artículos para el hogar. También es comúnmente moldeado por inyección para artículos de hogar, juguetes, envases de alimentos, y películas de HDPE que se encuentran en bolsas de supermercados y de basura.

Imagen 7. Estructura del polietileno de alta densidad

Fuente: Eis. Polietileno de alta densidad (PEAD) Disponible en: http://www.eis.uva.es/~macromol/curso0708/pe/polietileno%20de%20alta%20dens

idad.htm. Recuperado el 26 de septiembre de 2016

1.6 MATERIALES COMPUESTOS

Son materiales multifásicos que se obtienen a partir de la combinación artificial de distintos compuestos con el objetivo de alcanzar propiedades que los materiales individuales por sí sólo no pueden obtener.23 Estos pueden ser seleccionados para conseguir combinaciones no usuales de rigidez, dureza, conductividad, peso, resistencia a la corrosión y a altas temperaturas.

Este tipo de materiales están conformados por una fase matriz y una fase dispersa. Las propiedades de los compuestos formados son función de las propiedades de las fases constituyentes, de sus proporciones relativas y de la

21 BILURBINA, Luis y LIESA, Francisco. Materiales no metálicos resistentes a la corrosión. MARCOMPO SA. España.1990. ISBN 84-267-0790-4 22 HARPER, A Charles. Modern Plastics Handbook. McGraw-Hill. 1999. ISBN 0-07-026714-6 23 CHUNG, D.L Deborah. Composite Materials: science and applications.USA: Springer. 1p. ISBN 978-1-84882-831-5

32

geometría de las fases dispersas. La geometría de las fases dispersas significa, la forma, el tamaño, la distribución y la orientación de la partícula. Los materiales compuestos se clasifican como se muestra en el Esquema 1.

Esquema 1. Clasificación Materiales compuestos

1.6.1 Materiales compuestos reforzados con fibras. Los materiales compuestos

reforzados con fibras se diseñan para conseguir una elevada rigidez a baja

densidad y resistencia. Estas características se expresan mediante los parámetros

de resistencia específica y modulo específico. Estas corresponden

respectivamente a la relación entre la resistencia a la tracción, el módulo de

elasticidad y el peso específico.

1.6.2 Concentración y orientación de la fibra. La concentración, la orientación y

distribución de las fibras contribuyen radicalmente en la resistencia y en otras

propiedades de los materiales compuestos. La orientación es un aspecto

importante y en la cual se presentan dos casos; la alineación paralela de los ejes

longitudinales de las fibras, y la alineación al azar. Las fibras continuas

habitualmente se alinean, mientras que las fibras discontinuas se pueden alinear,

o se pueden orientar al azar

Al conseguir una distribución uniforme de la fibra hace que las propiedades del

material sean aún mejores.24

24 D. CALLISTER, William Jr. Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Editorial Reverté. S.A. ISBN 9788429172539

33

1.6.3 Material compuesto de fibras vegetales. La fibra natural abarca una

amplia variedad de fibras vegetales, animales y minerales. En la industria se

refiere a la fibra de la madera y residuos del sector de la agricultura, como hojas,

semillas etc. estas fibras contribuyen en gran medida al comportamiento

estructural cuando se utiliza en materiales plásticos, que pueden proporcionar un

refuerzo significativo para el nuevo material.25

Estos materiales están formados básicamente por dos fases, una plástica continua la cual es denominada matriz, esta puede incluir una diversidad de polímeros como el polipropileno (PP), polietileno tereftalato (PET), polietileno de alta y de baja densidad (PEAD y PDBD), etc. La otra constituida por una llamada refuerzo. Las fibras naturales utilizadas como reforzantes de compuestos poliméricos, se caracterizan por su gran contenido celulósico, que se obtienen a partir de la transformación de la madera, de las plantas de hoja larga, etc.26

La gran ventaja de utilización de estos materiales viene de su bajo costo, baja densidad, alta resistencia específica, biodegradabilidad y mínima degradación de propiedades mecánicas durante la manufactura con termoplásticos.

1.7 CASCARILLA DE ARROZ

González27 afirma que la cascarilla de arroz es un subproducto proveniente del proceso de molienda del arroz, el cual se encuentra acumulado en las instalaciones molineras que ofrece buenas propiedades para ser usado como sustrato hidropónico. Sus principales propiedades físico-químicas son: la baja tasa de descomposición, liviano, buena aireación y buen drenaje, además se caracteriza por un bajo contenido de celulosa (40 %), presenta un valor nulo por ser desecho y además es usado a baja escala respecto a su nivel de producción y por esta razón se evidencia la posibilidad de usarla como material refuerzo o carga en una matriz polimérica en esta investigación.

En la Tabla 3 se presentan algunas características de la cascarilla de arroz.

25THOMAS, Sabu, POTHAN, A. Laly. Natural Fibre Reinforced Polymer Composites: from Macro to Nanoscale.USA: Old city Publish, Inc. 2008. 3 p. 26 Mg. SILVA VELA, Alejandro Oscar. Estudio del comportamiento mecánico de compuestos de mezcla polimérica con adición de cascara de arroz y compatibilizante. Tesis de Doctorado Doctor mecánico. Arequipa-Perú. Universidad Nacional De San Agustín, Escuela de Posgrado. Facultad de Ciencias Naturales y Formales. 27 GONZÁLEZ, Juliana y GONZÁLEZ, Claudia. Aprovechamiento y reutilización de ABS POST- consumo en la fabricación de aglomerados usando como carga cascarilla de arroz. Universidad Industrial de Santander 2010. Bucaramanga

34

Tabla 3. Características de la cascarilla de arroz

Densidad a granel 0,12-0,13 g/ml Azufre 0,12-1,14 %

Capacidad de intercambio

catiónico 2-3% Hierro 200-

400ppm

Retención de humedad 0,10-0,12L/L Manganeso

200-800ppm

Nitrógeno 0,50-0,60% Cobre 3-5ppm

Fósforo 0,08-0,10% Zinc 15-30ppm

Potasio 0,20-0,40% Boro 4-10ppm

Calcio 0,10-0,12% Cenizas 12-13%

Magnesio 0,10-0,12% Silice(SiO2) 10-12%

Fibra (celulosa) 39,05% Lignina 22,80%

Proteínas 3,56% Extracto no nitrogenado 6,60%

Fuente: GONZÁLEZ, Juliana y GONZÁLEZ, Claudia. Aprovechamiento y reutilización de ABS POST- consumo en la fabricación de aglomerados usando como carga cascarilla de arroz. Universidad Industrial de Santander 2010. Bucaramanga

35

2. CLASIFICACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE MATERIAS PRIMAS

Se realizó una clasificación de las materias primas para caracterizar el material utilizado en la fabricación del poste de cercamiento de zonas agropecuarias, también fue de gran utilidad para determinar las condiciones en las que se encontraron estos materiales mediante una serie de experimentaciones las cuales se describen en este capítulo y cómo afectan al producto final elaborado por la empresa y el producto a elaborar en la presente investigación.

2.1 CLASIFICACIÓN DE PLÁSTICOS

Se efectuaron diferentes pruebas para la identificación de los plásticos como combustión, densidad, presencia de halógeno y solubilidad e hinchamiento con el fin de caracterizar cada una de estas. El diagrama de flujo, está descrito en el ANEXO A. El material plástico reciclado con el que se elaboraron los postes, fueron especificados en la Imagen 8 y Cuadro 3 en los mencionados, se analizaron las 4 muestras tomadas para los ensayos.

Imagen 8. Muestras de plásticos procesados

Cuadro 3. Descripción de material plástico

Muestra Color

M1 Blanco

M2 Verde

M3 Morado

M4 Azul

Las pruebas descritas anteriormente, son relativas debido a que no están sujetas a una normativa, conjunto a esto, se usaron para determinar la clase de plásticos que se manejaron. Dichas pruebas son muy utilizadas en la industria gracias a su facilidad y al corto tiempo que se requiere para realizar la prueba. La empresa española Ensinger S.A28 desarrolla este tipo de pruebas para la caracterización de sus plásticos, tomándolo así como referencia en esta investigación.

28 ENSINGER, S.A. la empresa [en línea]. < http://www.ensinger.es/es/> [citado el 24 de agosto de 2016]

M1 M2 M3 M4

36

2.1.1 Prueba de combustión. Se realizó una identificación por medio de la

prueba de combustión o pirolisis llevando cada muestra mediante unas pinzas o

espátula, a una llama de un mechero con alcohol durante 5-20 segundos.29 Se

observó y se determinó el color de llama, combustibilidad, color del humo

generado por el plástico, olor y el tipo de fusión, tomando como referencia el

ANEXO B, señalando los resultados obtenidos en el Cuadro 4.

Cuadro 4. Resultados prueba de combustión

Muestra Color de humo

Color de la llama

Combustibilidad Tipo de fusión

Olor

M1 Humo blanco, poco humo

Naranja con

centro azul

Continua ardiendo después de retirar

del mechero, genera chispas

No gotea, se

carboniza

fenol

M2 Humo blanco,

muy poco humo

amarilla y centro

azul

Continua ardiendo tras quitar el

mechero

Se derrite fácilmente, gotea

Intenso a

parafina

M3 Humo blanco,

muy poco

Amarilla y centro

azul

Continua ardiendo tras quitar el

mechero

Funde y gotea rápido

Parafina

M4 humo blanco

tonalidad

amarilla, azul y

contorno verde

Continua ardiendo tras quitar el

mechero

Se ablanda y

gotea

Ácido clorhídric

o

29 RODENAS PASTOR, Mercedes. Los materiales plásticos en tecnología industrial I: prácticas de identificación. En: Revista digital sociedad de la información. No. 14 (Dic., 2008); p.9. ISSN: 1578-326x.

37

2.1.2 Prueba de beilstein. Esta prueba se realizó tomando un alambre de cobre

delgado y limpio de 5 cm de largo, se trasladó a la llama al rojo vivo.

Posteriormente poniendo en contacto el alambre con un trozo de cada muestra

por separado, impregnándolo y dirigiéndolo de nuevo a la llama durante un

intervalo de 5 a 10 segundos, con intención de determinar la presencia de

halógenos al observar un cambio de tonalidad en la llama, pasando a color

verde.30 A continuación se presentan los resultados en el Cuadro 5, donde solo la

muestra cuatro evidenció la presencia de halógeno.

Cuadro 5. Resultados prueba de presencia de halógeno

Muestra Presencia de halógeno

M1 NO

M2 NO

M3 NO

M4 SI

2.1.3 Prueba de densidad. La densidad de cada muestra se determinó por medio

del método de inmersión, se tomaron 4 probetas de 10 mL con 6 mL de agua,

sumergiendo totalmente la muestra y tomando lectura del volumen desplazado

como se evidencia a continuación en la Imagen 9.

Imagen 9. Prueba de densidad muestra M2 y M3

La diferencia entre el volumen original y el desplazado, da el volumen de la muestra utilizando la Ecuación 1. Además se llevó a cabo una prueba de

30 CENTRO NACIONAL DE COSERVACIÓN Y RESTURACIÓN. Prueba de Beilstein: Examen de materiales orgánicos y polímeros para detectar la presencia de coloro, con ejemplos de los productos probados. En: Notas del ICC 17/1. p 2-4

38

flotabilidad de todas las muestras variando la densidad del medio añadiendo al agua 5 gramos de sal para observar el comportamiento de las mismas. Esta práctica es muy usada en la industria para la separación de plásticos. Los resultados de estas dos pruebas se muestran en la Tabla 4.

Ecuación 1. Ecuación de densidad

Donde:

= Densidad muestra

m= Masa muestra

v= Volumen de agua – Volumen desplazado

Tabla 4. Resultados prueba de densidad.

Muestra Densidad(g/mL) Flota

M1 0,967 SI

M2 0,9039 SI

M3 0,8883 SI

M4 0,9877 SI

2.1.4 Prueba de solubilidad. La solubilidad se determinó llevando cada muestra a

un tubo de ensayo con diferentes solventes como: acetona, xileno, diclorometano

y ciclohexanona hasta cubrir cada una de ellas en su totalidad, se dejó la muestra

durante 2 horas y se agitó el tubo en periodos de 10-15 min.31 En la Imagen 10 se

presenta las muestras sumergidas en acetona.

31 RODENAS PASTOR, Mercedes. Los materiales plásticos en tecnología industrial I: prácticas de identificación. En: Revista digital sociedad de la información. No. 14 (Dic., 2008); p.9. ISSN: 1578-326x.

39

Imagen 10. Muestras prueba de solubilidad con acetona.

En el Cuadro 6 se presentan los resultados de la prueba de solubilidad usando algunos de los disolventes orgánicos que existen en el mercado actual, debido a que abarcan una amplia variedad de tipos de plásticos siendo muy útil para la identificación de los plásticos que se evaluaron.

Con la prueba de solubilidad, se puede distinguir una diferencia clara entre materiales amorfos y semicristalinos. Los plásticos amorfos se disuelven al poco tiempo de estar en contacto con disolventes y generan grietas superficiales de forma inmediata, en cambio los plásticos semicristalinos suelen ser insensibles a los disolventes y la única forma que afecte el material es que esté en contacto por un largo período de tiempo.32

Cuadro 6. Resultados prueba de solubilidad

Muestra Acetona

Xileno Diclorometano Ciclohexanona Hinchamiento

M1 NO SI NO NO SI

M2 NO SI SI SI NO

M3 NO SI SI NO NO

M4 SI

(LENTO) NO NO SI SI

Mediante las pruebas que se realizaron y describieron anteriormente, se llegó a la identificación y clasificación de cada tipo de plástico presente en las cuatro muestras, como se muestra a continuación en el Cuadro 7.

32 ENSINGER, S.A. la empresa [en línea]. < http://www.ensinger.es/es/> [citado el 05 de septiembre de 2016]

40

Cuadro 7.Clasificación tipo de plásticos

Muestra Color Plástico

M1 Blanco RF/PPO

M2 Verde PDAD/PDBD

M3 Morado POLIPROPILENO

M4 Azul PVC

A partir de la serie de pruebas realizadas se encontraron plásticos como RF y PVC dentro del material utilizado para la elaboración del poste. El Cuadro 7 indica una clasificación previa de los plásticos caracterizados. La Tabla 5 presenta los diferentes rangos de las densidades. Para el PP, PDAD/PDBD y PVC estos valores están por debajo del promedio pero no lo suficiente presentados en la Tabla 6.

Se identificó un cambio en la densidad, esto puede darse por diferentes factores como el cambio de la cristalinidad, perdida de plasticidad o absorción de solventes entre otros.33 La cristalinidad es una propiedad importante debido a que muchos termoplásticos se cristalizan parcialmente al ser enfriados por debajo de su temperatura de fusión, las cadenas se acercan y se alinean estrechamente mientras las cadenas en espiral se organizan dentro del líquido formando una estructura ordenada y compacta, presentándose un incremento en la densidad, como se indica la temperatura afecta directamente esta propiedad, pudiendo generar un efecto inverso en la densidad.

Otro punto importante es que los polímeros ramificados tienen niveles menores de cristalinidad por ende la densidad es inferior. El polietileno de baja densidad presenta este caso, este es un polímero que tiene un grado de ramificación más alto que el polietileno de alta densidad.34

33 GUAJARDO, Adriana B.; Najar Laura E.; Prósperi Susana B.; Molina María G. propiedades de los plásticos reciclados, facultad de ciencias aplicadas a la industria, U.N.C. 34 ASKELAND, Donald R. and PHULÉ, Pradeep P. “Ciencia e ingeniería de los

materiales”. 4ta Edición. International Thompson Editores S.A. México. 2004. 962

p. ISBN970-688-361-

41

Tabla 5.Densidades de diferentes plásticos

Polímero Acrónimo Densidad (g/cm3)

Polipropileno PP 0,90-0,91

Polietileno de baja densidad LDPE 0,91-0,93

Polietileno de alta densidad HDPE 0,94-0,96

Poliestireno PS 1,04-1,06

Nylon 6 PA 1,13-1,14

Acrílico PMMA 1,17-1,20

Policarbonato PC 1,2

Poli( tereftalato de etileno) PET 1,35

Poli (cloruro de vinilo) PVC 1,35-1,45

Fuente: Reciclaje de Residuos Industriales: aplicación a la fabricación de materiales para la construcción; Castells Elias Xavier

Tabla 6. Comparación de densidades del PEBD, PEAD y PP

Polímero

Densidad promedio del material virgen(g/cm3)

Densidad promedio del material procesado (g/cm3)

Densidad promedio del material reprosesado (g/cm3)

PEBD 0,923 0,913 0,904

PEBD 0,924 0,915 0,91

PP 0,908 0,885 0,876

PP 0,9 0,882 0,873

PEAD 0,954 0,948 0,933

Fuente: propiedades de los plásticos reciclados, Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria, U.N.C.; Guajardo Adriana B.; Najar Laura E.; Prósperi Susana B.; Molina María G.

42

Finalmente para corroborar la clasificación desarrollada con anterioridad, se llevó a cabo un análisis de las muestras por medio de una espectrofotometría infrarroja mediante un espectrofotómetro marca Bruker llegando a los siguientes espectrogramas.

MUESTRA 1:

Imagen 11. Espectrograma mezcla de PEAD con fibra (tela)

En la Imagen 11 se muestran las longitudes de onda entre 3000 cm-1-2500 cm-1

1500 cm-1-1300 cm-1, las cuales son características en el espectrograma de polietileno de alta densidad como se puede observar en la Imagen 12. La muestra 1 es una mezcla de polietileno de alta densidad y tela, esta proviene de la reutilización de pañales que realiza la empresa proveedora de materia prima a Ecomaderas Plásticas.

MUESTRA 2:

Brian Smith reporta los siguientes datos representados en la Cuadro 8 y en la imagen 13 para el espectro infrarrojo del polietileno de alta densidad.35

35 Smith, Brian. Infrared spectral interpretation a systematic approach. New York.

C:\Users\Sena\Desktop\corridas IR - 29062016\plastipost\Tecnoparq.Plastipos4.0 Tecnoparq.Plastipos4 Instrument type and / or accessory29/06/2016

2915.4

0

2848.1

5

1459.8

5

1375.1

2

997.6

3

421.6

1

500100015002000250030003500

Wavenumber cm-1

0.0

05

0.0

15

0.0

25

0.0

35

Absorb

ance U

nits

Page 1/1

43

Cuadro 8. Datos del número de onda y grupo funcional.

Pico

Numero de onda

cm-1 Grupo

A 2919 CH2 asimétrico, tramo C-H

B 2850 CH2 simétrico, tramo C-H

C 730-720 División CH2

En la Imagen 12 se muestra el espectro infrarrojo, donde se obtuvieron picos con valores de 2949.25 cm-1 para CH2 asimétrico y en el tramo C-H. Para CH2 simétrico y en el tramo C-H el correspondiente dato es de y 2916.23 cm-1. Los picos con valores de 1453.53 y 1375.35 cm-1 se ajustan a los datos del espectro consultado los cuales son 1472 y 1464 cm-1

Imagen 12. Espectograma plástico Polietileno (PEAD).

Imagen 13. Espectrograma plástico polietileno (PEAD) teórico.

Fuente: Infrared spectral interpretation a systematic approach; Smith Brian

C:\Users\Sena\Desktop\corridas IR - 29062016\plastipost\Tecnoparq.Plastipos2.0 Tecnoparq.Plastipos2 Instrument type and / or accessory29/06/2016

2949.2

52916.2

3

1453.5

3

1375.3

5

500100015002000250030003500

Wavenumber cm-1

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

5

Absorb

ance U

nits

Page 1/1

44

MUESTRA 3:

La Tabla 7 presenta datos bibliográficos de cada grupo que conforma la molécula de polipropileno, la cual se relaciona en los espectros infrarrojos para los picos de absorción adecuados con los datos de número de ondas definidas.36 El rango de 2913.88 y 2846.64 cm-1 representa los grupos CH, CH2 y CH3 a un determinado tipo de vibración, así mismo sucede con los distintos picos obtenidos, los cuales identifican el material plástico. En la Imagen 15 el intervalo de 1500-750 cm-1 describe con totalidad al espectro obtenido de la Imagen 14.

Imagen 14. Espectrograma de polipropileno.

Imagen 15. Espectrograma de polipropileno teórico.

Fuente: Deterioration of UV-Irradation Resin by FTIR and DUH-211s Dynamic Ultra Micro Hardness Tester by Shimadzu;Shimadzu Scientific instruments.

36 WIESLAWA, Urbaniak-Domalaga, The use of the spectrometric technique FTIR-ATR to examine the polymers surface. Technical University of Lodz, department of material.2012.

C:\Users\Sena\Desktop\corridas IR - 29062016\plastipost\Tecnoparq.Plastipos3.1 Tecnoparq.Plastipos3.1 Instrument type and / or accessory29/06/2016

2913.8

8

2846.6

4

2174.3

7

2026.6

9

1462.6

3

718.3

4

537.2

1

419.4

8

500100015002000250030003500

Wavenumber cm-1

0.00

00.

002

0.00

40.

006

0.00

80.

010

0.01

2

Abs

orba

nce

Uni

ts

Page 1/1

45

Tabla 7. Longitudes de onda para los grupos funcionales

Wave number, cm

Absorbing and type of vibration

2916 va(CH2)

2959 va(CH3)

2881 vs(CH3)

2841 vs(CH2)

1460 ᵭa (CH2)

1376 ᵭs (CH3)

1357 yw( CH2-CH)

1328 yw(CH2-CH)

1302,1224,941 Carbon lattice pulsation

1170,1153 yw(CH3)ᵭa (CH2) ᵭ (CH)

975,899 yw(CH3)vr (CH2) vr (CH)

841,81 yr(CH2)vr (CH2) vr (CH3)

765 yw(CH2)

Fuente: the use of the spectrometric technique FTIR-ATR to examine the polymers surface; Wieslawa Urbaniak-Domalaga.

MUESTRA 4:

Para el espectro del PVC de la Imagen 17, se evidencia la presencia de los grupos saturados C-H y CH2 con un rango de deformación (picos) de 1430 cm

-1,los picos o bandas de estiramiento C-Cl se observan en el intervalo de 600-700 cm-1.37En la Imagen 16 se contemplan intervalos para los grupos C-H con CH2 de 1453.56-1375.29 cm-1, el grupo C-Cl presento el rango indicado con anterioridad

37LITVINOT, Victor M. De, Prajna P. Spectroscopy of Rubbers and Rubbery Materials. United Kingdom: Rapra Technology Limited, 2002.p.180. ISBN 1-85957-280-4

46

Imagen 16. Espectrograma plástico PVC

Imagen 17. Espectrograma plástico PVC

Fuente: Spectroscopy of Rubbers and Rubbery Materials; Litvinot, Victor M; De, Prajna P.

COMPARACIÓN MUESTRA 2 Y 3:

En la Imagen 18 se encuentra la respectiva comparación de los espectros infrarrojos del polietileno de alta densidad y el polipropileno, debido a que son las materias primas importantes, para la fabricación del poste plástico.

C:\Users\Sena\Desktop\corridas IR - 29062016\plastipost\Tecnoparq.Plastipos1.1 Tecnoparq.Plastipos1.1 Instrument type and / or accessory29/06/2016

2916.4

3

1453.5

6

1375.2

9

500100015002000250030003500

Wavenumber cm-1

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

5

Absorb

ance U

nits

Page 1/1

47

Imagen 18. Espectrograma comparación PDAD y PP

2.2 CARACTERIZACIÓN DE CASCARILLA DE ARROZ

Las pruebas descritas a continuación se rigen por diferentes técnicas de laboratorio para el análisis de alimentos y según David Quiceno y Marvin Mosquera38 por normas que estudian el carbón ya que las fibras vegetales se comportan como el carbón de leña cuando son disipados por las llamas, en este caso se usa la ASTM 5142 que estudia el porcentaje de humedad y cenizas. Estas son pruebas utilizadas para determinar el estado en el que se encuentra la cascarilla de arroz. Estas pruebas recogen algunos parámetros físicos importantes de la fibra vegetal, debido a que según en las condiciones que se encuentre la fibra esta afectará las propiedades mecánicas del material final.

Se realizaron pruebas de densidad, porcentaje de humedad, contenido de cenizas, lignina y celulosa, las cuales se describen en el ANEXO C, ANEXO D y ANEXO E, esto con el fin de determinar las características de cascarilla de arroz utilizada en la producción del poste.

Según Córdoba39 la densidad de la fibra afectará ya que si la fibra presenta una baja densidad, la densidad del material reforzado será más liviana, siendo una propiedad importante en la producción de estos materiales; en cambio en cuanto al valor de la lignina y celulosa la influencia en el material final será nula.

38 MOSQUERA, David. Alternativas Tecnológicas Para El Uso De La Cascarilla De Arroz Como Combustible. Santiago de Cali.: Universidad Autónoma de occidente, 2010. 39 CÓRDOBA, Carlos, et al. Aprovechamiento de polipropileno y polietileno de alta

densidad reciclado, reforzado con fibra vegetal, tetera (stromanthe stromathoides). En:

Revista iberoamericana de polímeros.2010. p. 417-427

C:\Users\Sena\Desktop\corridas IR - 29062016\plastipost\Tecnoparq.Plastipos3.1 Tecnoparq.Plastipos3.1 Instrument type and / or accessory

C:\Users\Sena\Desktop\corridas IR - 29062016\plastipost\Tecnoparq.Plastipos1.1 Tecnoparq.Plastipos1.1 Instrument type and / or accessory

29/06/2016

29/06/2016

2913.8

8

2846.6

4

2174.3

7

2026.6

9

1462.6

3

718.3

4

537.2

1

419.4

8

500100015002000250030003500

Wavenumber cm-1

0.0

00.0

10.0

20.0

30.0

40.0

5

Absorb

ance U

nits

Page 1/1

48

2.2.1 Prueba de densidad. Esta prueba se realizó por triplicado para asegurar la

precisión del resultado obtenido. Se pesó una cantidad de muestra de cascarilla

de arroz en una balanza analítica Nimbus ADAM, posteriormente se tomó una

probeta de 10mL y se agregaron 6mL de agua y se adicionó la muestra de

cascarilla de arroz, después se observó el volumen desplazado que arrojó un valor

presentado en la Tabla 8 y se determinó la densidad de la cascarilla de arroz

usando la Ecuación 1.

Arrojando como resultado un valor de densidad de 1,0835 g/mL de cascarilla de

arroz, según David Quiceno y Marvin Mosquera40 la densidad de la cascarilla de

arroz es de 1420kg/m3 siendo 1,4 veces más pesada que el agua, es decir 1,420

g/mL; el valor experimental presentó un porcentaje de error de 23,69 % en

comparación al teórico.

Tabla 8. Resultados de densidad de la cascarilla de arroz

Muestra Peso muestra(g)

Volumen desplazado(ml)

Densidad (g/ml)

M1 0,2928 7,2 0,244

M2 0,1111 6,2 0,555

M3 0,3224 6,2 1,612

Promedio 1,0835

2.2.2 Prueba de porcentaje de humedad. Esta prueba se realizó por triplicado

para asegurar la precisión del resultado obtenido. Inicialmente se pesó la muestra

húmeda en una balanza analítica Nimbus ADAM y luego se llevó a una mufla

marca Nabertherm a una temperatura constante de 110°C ⁄ 5°C durante 24

horas; al transcurrir las 24 horas se pesó de nuevo la muestra y finalmente dando

uso de la Ecuación 2 se obtuvo el porcentaje de humedad.

Ecuación 2. Ecuación de porcentaje de humedad

( ) ( )

40 MOSQUERA, David. Alternativas Tecnológicas Para El Uso De La Cascarilla De Arroz Como Combustible. Santiago de Cali.: Universidad Autónoma de occidente, 2010.

49

Donde:

mh= Masa muestra húmeda.

mr= Masa capsula de porcelana.

ms= Masa muestra seca.

En la Tabla 9 se presentan los valores obtenidos de porcentaje de humedad para

cada muestra. El contenido de humedad de la biomasa es la relación de la masa

de agua contenida por kilogramo de masa seca41. Al realizar un promedio de los

tres porcentajes de humedad se encontró un valor de 10,15 %. La cascarilla de

arroz cuando sale del descascarador tiene un porcentaje de humedad que varía

ente 5- 40 %, en época no lluviosa y la humedad promedio de la cascarilla esta

aproximadamente entre el 8 y 15 %42.

Al ser una fibra vegetal que presentó bajo porcentaje de humedad (10,15 %) y

que se encuentra en el rango de humedad promedio, indica que sí se puede

utilizar en el proceso ya que como afirma Salvador43 el grado de humedad afecta

las propiedades mecánicas del material final, si se encuentra en altos porcentajes

puede afectar el proceso generando burbujas en el material debido principalmente

a que los plásticos son materiales hidrofóbicos y la humedad proveniente de la

fibra impediría la adherencia entre las fibras y la matriz polimérica.

Tabla 9. Resultados de porcentaje de humedad de la cascarilla de arroz

Muestras

Masa capsulas

de porcelana

Masa de muestra húmeda (gramos)

Masa de porcelana+

Muestra húmeda (gramos)

Masa de porcelana+

Muestra seca

(gramos)

%Humedad

M1 625,415 20,822 646,237 644,249 9,54

M2 617,418 23,096 640,514 638,591 8,32

M3 278,600 22,471 301,071 298,243 12,58

Promedio 10, 15

41 ECHEVERRÍA, Manuel y LÓPEZ, Orlando. Caracterización Energética De La Cascarilla De Arroz Para Su Aplicación En La Generación De Energía Termoeléctrica. Quito.: Escuela Politécnica nacional, 2010. 42 AGUSTÍN VALVERDE, et al. Análisis comparativo de las características fisicoquímicas de la cascarilla de arroz. En: SCIENTIA ET TECHNICA. Diciembre de 2007.vol. 37, p. 255. 43 SALVADOR, MD et al. Caracterización de fibra vegetales utilizadas como refuerzo en matrices termoplásticos. Valencia, España: Universidad Politécnica de Valencia, Instituto de tecnología de materiales

50

2.2.3 Prueba de contenido de ceniza. Esta prueba se realizó por triplicado para

asegurar la precisión del resultado obtenido. Se realizó una prueba de ceniza en

seco; se pesó 2 a 5 gramos de muestra de cascarilla de arroz y se calcinaron

durante media hora en la mufla a una temperatura de 200°C hasta que no se

desprendieron humos, luego se incineró durante dos horas a 500°C hasta obtener

una ceniza de color grisáceo y se transfirió la muestra a un desecador hasta que

alcanzó la temperatura ambiente y se pesó el valor de las cenizas y por último

usando la Ecuación 3 se determinó el valor de contenido de cenizas. El

procedimiento anterior se obtuvo de los laboratorios de alimentos de la UNAM44

Ecuación 3. Contenido de cenizas

( )

( )

Al realizar las pruebas el porcentaje de ceniza arrojo un valor de 16,67%, cantidad

de residuo inorgánico que presentó la cascarilla de arroz, es decir la cantidad de

materia sólida no combustible por kilógramo del material45. En la Tabla 10 se

presentan las pruebas por triplicado.

Tabla 10. Resultado de porcentaje de cenizas de la cascarilla de arroz

Muestra

Peso capsula

de porcelana

Peso muestra

Peso muestra ceniza+ capsula

Peso muestra ceniza

%Cenizas

M1 41,988 32,136 425,449 0,5569 17,32

M2 617,524 32,367 622,579 0,5055 15,61

M3 425,991 32,420 431,527 0,5536 17,07

Promedio 16,75

Según Echeverría46 la ceniza de la cascarilla de arroz está compuesta en su mayoría por sílice, encontrando también diferentes trazas de varios óxidos como se evidencia en la Tabla 11. Debido a su composición, la ceniza de la cascarilla de arroz es usada en la producción de cementos y derivados.

44 UNAM, F. d. (2008). Fundamentos y tecnicas de analisis de alimentos. 45ECHEVERRÍA, Manuel y LÓPEZ, Orlando. Caracterización Energética De La Cascarilla De Arroz Para Su Aplicación En La Generación De Energía Termoeléctrica. Quito.: Escuela Politécnica Nacional, 2010 46 Ibid. p. 56

51

Tabla 11. Composición de la ceniza de la cascarilla de arroz

Composición Fracción en peso

(%)

Sílice (SiO) 90-97

Óxido de Calcio (CaO) 0,2-1,5

Óxido de Magnesio (MgO) 0,1-2,0

Óxido de Potasio (K2O) 0,6-1,6

Óxido de Sodio (Na2O) Trazas-1,75

Óxido de Fosforo (P2O5) 0,3

Sulfatos (SO3) 0,10-1,13

Cloro (Cl) 0,15-0,40

Óxido de hierro (FeO3) trazas-0,40

Óxido de manganeso (MnO2) Trazas

Fuente: Proyecto de grado de la Escuela Politécnica Nacional; Caracterización energética de la cascarilla de arroz para su aplicación en la generación de energía

termoeléctrica; Echeverría Manuel Antonio, LÓPEZ, Orlando Antonio

2.2.4 Prueba de análisis bromatológico. El método de determinación de fibra

ácido-detergente van Soest es utilizado para el análisis de alimentos, el cual

determina la fracción de fibra cruda en los forrajes utilizados para la alimentación

de rumiantes.47 Este método presenta diferentes ventajas las cuales son;

determinar la celulosa y la lignina ácido-detergente en una fibra aislada, retiene

una gran cantidad la celulosa y la lignina presente en el material original, también

se puede determinar el contenido de hemicelulosa y el contenido de pared

celular48

47 MORA BRAUTIGÁN, Ileana. Nutrición animal. Costa rica: EUNED, 2007. 120 p; ISBN : 9977-64-557-4 48

TREVIÑO J., AROSEMENA G. Determinación de la fracción fibra de los forrajes. Instituto

de alimentación y productividad animal del C.S.I.C.

52

2.2.4.1 Fibra neutro detergente (fdn). La fibra neutro detergente contiene los

componentes de la pared celular, determina la fibra total de los alimentos

vegetales fibrosos.49 Se preparó una solución de 300 ml de detergente neutro

(SDN) a partir de 9 gramos de lauril sulfato de sodio, 5,4 gramos de EDTA sodio

dihidratado, 2.043 gramos de tetraborato de sodio decahidratado, 1.35 gramos de

fosfato dibasico de sodio anhídrido y 3 ml de etilenglicol, utilizando como solvente

agua destilada. Se agito y se calentó la solución a una temperatura 335°C

llegando a ebullición para garantizar la estabilidad, se ajustó el rango de pH (6.9-

7.1, medición por medio de papel indicador) adicionando ácido clorhídrico al 98-95

%.50

Se pesó 1 gramo de muestra molida, la cual fue tamizada por una malla de 8mm, se depositó la muestra en un balón de fondo plano esmerilado de 300 ml con 100 ml de solución de detergente neutro. Se realizó el debido montaje en un soporte universal colocando el condensador para reflujo encima del balón de fondo plano y llevando a calentamiento en una plancha a 335 °C durante 10 min hasta alcanzar la ebullición. Se regulo la temperatura a 235 °C y se mantuvo la ebullición durante 60 min.

Una vez finalizado el tiempo se dejó enfriar la solución y se realizó la filtración de este. Durante la filtración se hicieron lavados a la fibra con 100 ml de agua destilada caliente por 4 veces, 30 ml de acetona y nuevamente con 300 ml de agua destilada caliente.

Se pesó una capsula de porcelana y a esta se le adicionó la fibra la cual fue secada en una mufla durante 24 horas a 100 °C, terminado este tiempo se pesó la capsula de porcelana con la fibra, utilizando la Ecuación 4 se llegó a los resultados presentes en la Tabla 12.

Ecuación 4. Obtención de fibra FDN

[( ( )) ( )

]

49 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA. 6.2 análisis de forrajes de Van Soest [En línea]. [citado 15 de agosto 2016]. 50 SANTACOLOMA VARÓN, Luz Elena. Protocolo de prácticas para la escuela de ciencias agrícolas pecuarias y del medio ambiente. Universidad nacional abierta y a distancia, (enero 2014).

53

Tabla 12. Resultados % FDN

Muestra %FDN

1 72,54

2 70,58

3 69,10

Promedio 70.74

2.2.4.2 Fibra ácido detergente (fda).Este método determina la cantidad fibrosa

del tejido vegetal correspondiente a la celulosa y lignina. En esta se hidrolizan las

peptinas y la hemicelulosa es soluble en el medio acido. El FDA es el residuo del

producto evaluado correspondientemente a la pared celular, se solubiliza el

contenido celular a un pH acido.

Se elaboró una solución de detergente ácido (SDA) de 600 ml a partir de 12 gramos de bromuro de cetil trimetilamonio, 16,8 ml de ácido sulfúrico concentrado al 96 %, se completaron los 300 ml con agua destilada. Se siguió el mismo procedimiento utilizado en la determinación de fibra FDN, la temperatura de ebullición utilizada fue de 420 °C durante 10/11 min, se regulo la temperatura a 165 °C por 60 min. Por medio de la Ecuación 5 se llegaron a los resultados mostrados en la Tabla 13.

Ecuación 5. Obtención de fibra FDA

[( ) ( )

]

Tabla 13. Resultados % FDA

Muestra %FDA

1 63.85

2 58.57

3 70.75

Promedio 64.39

54

2.2.4.3 Lignina por método fda. Se pesaron 0.5 gramos del residuo de FDA y se

llevaron en un Baker de 100 mL adicionando 25 mL de ácido sulfúrico al 72 %,

dejando en reposo por 1 hora en reposo, posteriormente se agito la solución

constantemente a temperatura ambiente por 1 hora 51. El detergente extrae la

proteína como otros minerales que interfieren con la obtención y análisis del

porcentaje de lignina. En la Imagen 19 se muestra el residuo FDA que contiene

celulosa-lignina descrito anteriormente y en la Imagen 20 presenta la fibra FDA al

entrar en contacto con la solución acida , donde esta solución acida separa la

celulosa de la lignina.52

Imagen 19. Residuo fibra FDA

Imagen 20. Solución ácida+ FD

51 CA. Determinación del contenido de fibra detergente acida en materias primas de origen vegetal y alimentos balanceados para animales [en línea]. [citado 15 de agosto 2016]. 52 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA. 6.2 análisis de forrajes de Van Soest [En línea] [citado 15 de agosto 2016].

55

Se realizó una filtración a vacío obteniendo el residuo y eliminando el ácido restante de este, adicionando 200 mL de agua destilada caliente, después 30 ml de acetona y repitiendo el lavado con 100 mL de agua.

El residuo fue llevado a una capsula debidamente pesada y secada en una mufla durante 24 horas a una temperatura de 100- 105 °C. Después de ser secada la muestra se realizó una prueba de cenizas a una temperatura de 500 °C.53

Para determinar el porcentaje de lignina se utilizó la Ecuación 6 y en la Tabla 14 se presentan los resultados obtenidos.

Ecuación 6. Porcentaje de lignina

⌈( ) ( )

⌉

Tabla 14. Resultados porcentajes de lignina

Muestra % Lignina

1 20.4192

2 20.4374

3 19.9682

Promedio 20.2749

Si restamos el porcentaje de FDN y FDA obtenemos el porcentaje de hemicelulosa como se observa en la Ecuación 7 y así mismo si restamos el porcentaje de FDA y de lignina del ácido detergente obtenemos la cantidad de celulosa de la muestra como se observa en la Ecuación 8.54 En la Tabla 15 se presentan los resultados bromatológicos de la cascarilla de arroz.

Ecuación 7. Porcentaje de hemicelulosa

53 ICA. Determinación del contenido de fibra detergente acida en materias primas de origen vegetal y alimentos balanceados para animales [En línea]. [citado 15 de agosto 2016] 54

MORA BRAUTIGÁN, Ileana. Nutrición animal. Costa rica: EUNED, 2007. 120 p; ISBN : 9977-64-557-4

56

Ecuación 8. Porcentaje de celulosa

Tabla 15. Resultados bromatológicos de la cascarilla de arroz.

% FDN %FDA %Lignina %Hemicelulosa %Celulosa

70.74 64.39 20.2749 6.35 44.1151

José Guimarães, Gomes de Oliveira, da silva, de Carvalho, Coutinho, de Oliveira, Moura, Marchão, de moráis, reportan valores para %FDN y %FDA para la cascarilla de arroz de 73.66 % y 49.99 %55, para Vargas, J, Alvarado P y Porras M, toman rangos para el porcentaje de FDN, FDA, lignina, hemicelulosa y celulosa de 66-74%, 58-62%, 9-20%, 12%, 28-36%56. Gloria María Doria Herrera, Angelina Hormaza y Darío Gallego Suarez, indican resultados bromatológicos de las características estudiadas de 77.97%, 66.78%, 6.66%, 60,12%, 11.19%, respectivamente.57 Estos valores dependen de las condiciones climáticas y geográficas, también de las características de los suelos, en donde se cultiva el arroz, la variedad de arroz y de los fertilizantes utilizados en los arrozales58.

A continuación se presentan la Tabla 16 y en el ANEXO F el resumen de propiedades recopiladas durante cada uno de los procedimientos que se definieron en este capítulo.

Mediante la experimentación se lograron caracterizar cada una de las materias primas que se usaron en la presente investigación, se logró la identificación de los tipos de plásticos reciclados utilizados en la empresa para la elaboración del poste además de las condiciones en las que se encontraban los plásticos debido a que como son reciclados no se encuentran en su estado puro.

En cuanto a la cascarilla de arroz se determinaron las condiciones en las que se encontraba con el fin de caracterizar sus principales propiedades físicas y

55 ELIVALTO, José. Forragem de milho hidropónico produzida com diferentes substratos. En: Revista brasileira de zootecnia. No.2 (2007); p.276-281,ISSN 1516-3598 56 Vargas, J ., Alvarado, P ., Vega-Baudrit , J ., Porras M. Caracterización del subproducto cascarillas de arroz en búsqueda de posibles aplicaciones como materia prima en procesos. En: revista científica.No.1 (2003); 102 p. 57 DORIA HERRERA, Gloria María, Caracterización estructural de la cascarilla de arroz modificada como adsorbente alternativo y eficiente para la remoción de Cr (VI) en solución. En: revista de investigación Agraria y Ambiental. No.1 (enero-junio,2013); p.ISSN 2145-6097 58 ALEMÁN, Arnulfo Leonardo Evaluación de la esterificación sobre cascarilla de arroz como estrategia para incrementar la capacidad de remoción del colorante rojo básico 46. Medellín Colombia, 2012,92h.Trabajo de grado (Magister en Ciencias-Química). Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ciencias-Escuela de Químicas.

57

químicas y comprender cuales de ellas pueden afe